基于单片机的盲人导航系统的设计-设计说明书
电子校园网 编号：
CJ-32-2022-105-LW
设计摘要：
本论文设计了一种基于单片机的盲人导航系统，以STM32单片机为核心控制器，并结合其他模块实现了对盲人的导航和安全保障。该系统包括中控部分、输入部分和输出部分。中控部分采用STM32单片机，负责获取输入部分的数据，并进行内部处理和控制输出部分。输入部分由三轴加速度传感器、HC-SR04超声波检测模块、光敏电阻、独立按键和供电电路组成。这些输入模块用于检测盲人摔倒、前方障碍物和光照强度，并通过独立按键与手机进行信息交互。输出部分包括OLED显示模块、GSM卡、TTS语音输出模块、蜂鸣器和USB灯。OLED显示模块用于显示距离、光照强度、状态和摔倒等信息，GSM卡用于向手机发送报警信息，TTS语音输出模块在摔倒时进行语音求救，蜂鸣器用于前方障碍物的报警，USB灯在光照强度低于设定阈值时亮起。该系统旨在为盲人提供导航和安全保障，通过各种传感器和输出模块实现对盲人的实时监测和提示。实验结果表明，该系统能够准确地检测盲人的摔倒和前方障碍物，并及时进行报警和求救。该系统具有实用性和可行性，在盲人生活中具有广阔的应用前景。
关键词：单片机；语音播报模块；GSM通信模块；超声波测距模块；
字数：10000+
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摘 要
ABSTRACT
1 引 言
1.1 选题背景及实际意义
1.2 国内外研究现状
1.3 课题主要内容
2 系统设计方案
2.1 系统整体方案
2.2 单片机的选择
2.3 电源方案的选择
2.4 显示方案的选择
2.5 GSM通信方案选择
3系统设计与分析
3.1 整体系统设计分析
3.2 主控电路设计
3.3 显示模块
3.4 超声波测距模块
3.5 SIM900A通信模块
3.6 TTS语音播报模块
4 系统程序设计
4.1 编程软件介绍
4.2 主程序流程设计
4.3 按键函数流程设计
4.4处理函数流程设计
5 实物调试
5.1 电路焊接总图
5.2 光照控制USB灯实物测试
5.3 摔倒了报警实物测试
结 论
参考文献
致 谢
1 引 言
1.1 选题背景及实际意义
在全球中，中国是盲人数量最多的国家，在2020年盲人数量约为830万人，站全球失明人口的21%左右，且每年新增盲人数量已经达到40万以上。我国盲人数量庞大，但国内无障碍建设规范化不足，盲人几乎无法独立出行。随着我国人民生活水平的提升，盲人对于生活质量优化需求强烈，进而带动智能助视器市场需求攀升，在2020年我国智能助视器市场规模约为16.2亿元，预计随着智能助视器技术的逐渐成熟，到2025年市场规模将达到76.7亿元。当前国内针对于智能助视器研发的企业较少，且大多产品智能化低，对于盲人的辅助作用较小，总体来看我国盲人用品市场尚未得到重视。但未来在人口老龄化背景下，盲人数量增长，以及生活和医疗水平提升，居民对与智能助视器需求持续攀升，智能助视器市场发展空间巨大。
长期以来，盲人群体因为身体缺陷而无法自由出行活动，只能借助盲杖、导盲犬等导盲方式出行，面对日益复杂的道路和交通情况，现有盲人出行辅助工具功能上都较为单一，虽然可以满足盲人一定的导盲需求，但无法有效的为盲人独自安全出行提供保障，更无法为盲人和视觉障碍人士的出行提供综合全面的服务。通过对现有导盲产品的分析，我们发现，智能导盲杖只提供了一些简单的避障功能，无法进行路线规划和导航功能；导盲机器人虽然功能比较完善，但是普遍存在价格高、不易携带等缺点；盲人眼镜便于携带，却存在或价格昂贵、或功能单一的问题，无法服务于盲人群体。而随着社会和科技的进步，电子信息技术、定位导航技术不断发展完善，如何制作出一套成本低、效率高、交互性好、安全便携的盲人出行辅助系统是一个亟待解决的问题。基于此，本设计是基于单片机的盲人导航系统的设计，主要实现以下功能：我们通过超声波测量距离前方障碍物的距离，距离过近，蜂鸣器进行提醒；通过三轴加速度判断使用者是否摔倒，摔倒时可通过语音模块寻求帮助和通过GSM发送短信；出于光线较弱情况下出行安全考虑，我们通过光敏电阻检测光照强度，当光照强度过低则蜂鸣器报警（按键可手动停止）、照明灯自动打开；并OLED显示距离、状态和光照强度。该设计对盲人出行具有重要的现实意义。
1.2 国内外研究现状
国内助盲设备研究现状目前国内解决盲人出行的方法有使用导盲犬引导、超声波探测式盲权及一些自主研发的导盲设备。但导盲犬驯养成本极高，以及地铁等区域是否允许导盲犬进入仍存在争议，目前国内除普遍采用的两点触地式盲杖使用方法，传统的导盲方法还有导盲犬以及超声波测距式盲杖。导盲犬虽被社会广泛认知，但地铁，商场等室内场所依旧不允许导盲犬入内，而且导盲犬的驯养，养护费用都较高，因此目前较难推广。而超声波测距式引导盲杖是普通盲权功能的延伸，靠分析超声波的回声提升盲人探测障碍物的距离，但该方法不能明确障碍物类型，且无法导航，使用效果较差。
伦敦地铁正在试用基于站内蓝牙与盲人手机APP交互，告知当前地理位置，并能根据盲人的路径实现导航，但缺少盲人向导育系统信息通信的途径，且播放内容为语音文件，占用内存较大，且站内蓝牙设备为有源，成本较高，难以推广。美国现在正在开发一种辅助视残人群出行的软件，但仍处在研发阶段功能并不成熟:目前市场上出现的产品大多数为单机工作，最近美国、英国的研发成果可以通过信标工作，但是还未构成物联网及实现智能化。
盲人是人类社会中的弱势群体,且呈逐年增加的趋势.为盲人提供安全可靠,智能高效的出行保障,是社会进步的重要标志.袁玮含，胡立夫，张震，骆晗设计一个盲人辅助系统.该辅助系统是以STM32单片机作为核心技术的机器人系统,结合企业所使用的超声波测距,图像数据采集及信号处理, GPS导航和双向语音模块四个主要功能模块,该系统以语音提示和牵引等方式指引盲人以正确的路线绕开障碍物,希望能对盲人的出行训练及以后的出行能够有帮助作用,方便盲人的日常出行[1] 。
为了让盲人出行时能够实时感知周围障碍物和道路的交通情况,2021年黄毅翔对传统盲人手杖进行改进,在传统盲人手杖的基础上增加激光测距模块对障碍物距离进行探测,增加OPENMV4视觉模块对路口红绿灯颜色进行识别,STM32单片机将识别到的障碍物距离和红绿灯颜色信息通过文字语音合成模块转换成语音提示.经过实验,验证了系统方案的可行性,当智能盲人手杖与障碍物距离小于0.2 m时,语音模块进行播报;当OPENMV4模块识别到红绿灯时,能够根据先前颜色阈值的设定对红绿灯颜色信息有效识别并语音播报[2] 。
与上述几种设计方案相比，该设计方案更加方便易懂，便于实际操作，价格低廉，在集成电路的选择上更易于使用和精巧。
1.3 课题主要内容
本设计是基于单片机的盲人导航系统，以STM32单片机为核心控制器，并结合其他模块构建。系统包括中控部分、输入部分和输出部分。中控部分使用STM32单片机，负责获取输入数据并进行处理控制输出。输入部分包括三轴加速度传感器、超声波检测模块、光敏电阻、独立按键和供电电路。这些模块用于监测摔倒、障碍物和光照强度，并与手机进行信息交互。输出部分包括OLED显示模块、GSM卡、TTS语音输出模块、蜂鸣器和USB灯。OLED显示模块用于展示相关信息，GSM卡用于向手机发送报警信息，TTS语音输出模块用于语音求救，蜂鸣器用于障碍物报警，USB灯用于低光照强度指示。
该系统旨在为盲人提供导航和安全保障，通过实时监测和提示实现对盲人的支持。实验结果表明，该系统能够准确检测摔倒和障碍物，并及时进行报警和求救。该设计具有实用性和可行性，具备广阔的应用前景。
